試析使用特殊原、燃料對耐火材料與設備的腐蝕問題

張建武

（甘肅酒鋼集團科力耐火材料股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

在現代工業快速發展的時代背景下，生產中的耐火材料與設備離不開對原、燃料的應用，隨著特殊原、燃料種類不斷增多，其中硫、磷、氯、氧等元素的含量不斷增加，在其影響下對耐火材料與設備的腐蝕問題日趨嚴重。對此，為促使耐火材料與設備具有較強的耐腐蝕性，要對其腐蝕機理與特征進行深入分析。

1 特殊原、燃料中的腐蝕元素及其循環特性

1.1 腐蝕元素來源

在耐火材料與設備的生產活動開展期間，為進一步提升其耐蝕性，避免其出現腐蝕問題，通常會在原燃料中加入一些特殊元素，使其與耐火材料發生化學反應，導致耐火材料與設備的腐蝕問題更嚴重，這種現象在煉鋼和煉鐵過程中尤為常見。在煉鋼中加入鐵或鎂，在煉鐵時加入鉻、鈦、釩等元素，這些特殊元素在原燃料中的含量提高，使耐火材料與設備的腐蝕速率加快。在通常情況下，為提升耐火設備與材料的使用效果，加快生產速率，通常會直接使用已有的原燃料，其中存在的大量雜質不僅會導致耐火材料和設備的抗腐蝕性大大降低，進而引發耐火材料與設備出現損壞問題，還會對其產生腐蝕，影響其生產質量與使用效果。

以鋼鐵冶煉為例，在部分高爐原燃料資源相對匱乏的地區，其燃料來源全部依賴外購，但為部分生產企業為降低鋼鐵冶煉的生產成本，通常會選擇價格較低的礦石，這種礦石具有來源復雜、入爐礦石品位低、有害元素含量高等特點，其中，當其硫、磷、砷、氟、氯、鉀、鈉、鉛、鋅等有害元素含量較高時，就會對該鋼鐵冶煉中的耐火材料和設備產生腐蝕作用。如果忽略對其鋼鐵冶煉原燃料中腐蝕元素含量的控制，不僅會使鋼鐵冶煉的原燃料質量大大降低，導致其在冶煉過程中增加渣量和熔劑用量，還會使煉鋼爐外的工作負荷進一步增加。如果在耐火材料和設備生產過程中忽略對廢料的控制與和處理，隨著鈉、鉀、鋅、鉛等有害元素在耐火材料與設備中的循環富集、膨脹和滲透，當系統中氯、硫、鈉、鉀等腐蝕元素的含量超過目標值控制要求時，就會在一定程度上影響生產系統運行的穩定性，降低產品生產質量的同時，嚴重腐蝕生產系統中與其發生直接接觸的耐火材料與設備，導致其生產指標和使用壽命受到影響。

1.2 原燃料的特性

在耐火材料與設備生產過程中形成的黏土、礦渣、粉煤灰、脫硫灰等物質均屬于原燃料，在其使用過程中，其使用種類和數量取決于原料中含有害雜質的多少和生產系統所需產量的實際大小，結合生產系統對其實際用量的需求，選擇不同品質的原燃料種類。以產品用途為依據對所需原燃料種類進行確定，這點從用于生產鋼鐵等金屬材料的原燃料不能用于耐火材料與設備的生產，用于生產水泥的原燃料不能用于生產玻璃的原料等方面均可看出。如果原燃料中含有硫、磷等有害雜質或二氧化硫等有毒物質，在其使用過程中要以產品用途和性質為重要依據，對其使用條件做出準確判斷。在高溫工作環境下使用原燃料，要對其在該環境條件下的穩定性進行充分考慮，結合高溫環境的具體條件，對其耐高溫性能是否符合要求進行科學判斷。

1.3 腐蝕元素特性

在現代工業生產中，通常選擇鐵、鎂、鉻、釩和硅等元素作為生產環節主要的原燃料。如果原料配比失衡或存在原燃料二次利用的情況，都會導致其中的氯、硫、堿含量過高，當耐火材料和設備在生產過程中出現腐蝕元素濃度不平衡的現象時，就會在熱生產環節積聚大量的硫酸鉀、氯化鈉、氯化鉀等鹽類化合物，由于這些化合物不會隨著生產產品共同從系統中排出，而是隨著生產活動的開展在耐火襯里的表面逐漸累積和沉淀，在一定情況下，還會向其內部逐漸滲透。根據氯、硫、堿等化合物的揮發溫度和熔融溫度可以發現，在工業生產中，其沸點與熔點均處于耐火材料與設備生產環境溫度范圍內，對生產系統的耐火材料與設備和其他不同部位產生影響。

在鋼鐵冶煉中，高爐作為生產系統中重要的耐火材料和設備，生產過程中煤粉、焦炭、礦石雜質等原燃料中的硫化物是硫元素進入生產系統發生腐蝕作用的關鍵來源，在一般情況下，鋼鐵冶煉系統中硫元素含量大部分來自煤粉和焦炭，隨著其原燃料硫含量的增加，鋼鐵冶煉期間鐵水中硫元素的含量也會增多，導致生產產品極易產生熱脆性，進而使其強度大幅下降。球團礦、燒結礦、煤粉和焦炭的灰分是鈉、鉀等堿金屬元素腐蝕鋼鐵冶煉系統耐火材料和設備的主要來源。由于堿金屬對高爐具有顯著的危害作用，同時又可以催化焦炭溶損反應，達到降解焦炭的效果。堿金屬元素在鋼鐵生產系統中的存在可以使礦石軟化溫度進一步降低，使燒結礦還原粉化和球團礦異常膨脹粉化現象更嚴重。當鈉、鉀等金屬元素在耐火設備內部循環富集時，其與氧氣反應生成的氧化物會與耐火設備內襯中的氧化硅和氧化鋁發生化學反應，產生硅酸鹽低熔物，使耐火材料體積出現膨脹，對生產系統的生產效率造成影響。與此同時，鈉和鉀的氧化物還可以作為析碳反應的催化劑，對耐火材料和設備產生更嚴重的腐蝕效果，加快其腐蝕速率。

2 耐火材料和設備在特殊原、燃料下的腐蝕機理

2.1 耐火材料類型

按照耐火材料組分，可以將耐火材料分為不同類型。由于部分耐火材料特殊的化學性質，極易與空氣中的氧氣發生化學反應，使其成分發生變化，在一定程度上削弱其對耐火材料和設備的腐蝕作用。對此，鎂、鋁、硅、鉻、鈣等元素的氧化物可以作為鋼鐵生產系統中良好的耐火材料和設備原料。按照其元素將其分為以氧化鎂、氧化鉻為主要成分的鎂鉻類耐火材料；以氧化鎂、氧化鋁為主要成分的鎂鋁類耐火材料；以氧化硅、氧化鋁為主要成分的硅鋁類耐火材料三種類型。在生產系統使用過程中，可以生產大量可直接使用且具有耐火性的鎂鉻磚。這種耐火磚在實際使用中通常具有較強的耐高溫性能，可以對二氧化硅的侵蝕和氧化還原產生有效的抵抗作用。但這種耐火材料的剩余材料和廢棄物會對自然生態環境造成嚴重污染，在當前許多工業產業發展相對發達的國家，已經停止了鎂鉻類耐火材料的生產和使用。

以鎂鋁尖晶磚石為代表的鎂鋁類耐火材料具有較強的耐火性特征，且其對熟料液和硫、堿熔融物的侵蝕具有一定抗性，同時具備抗耐火材料變形和抗熱震的機械應力和抗熱負荷等性能優勢。相比鎂鉻磚，鎂鋁尖晶磚石在實際運用中具有更優良的使用性能，不僅作為鋼鐵生產系統主要耐火設備中的耐火材料在部分生產環節具有較高的應用價值，也是現代社會堿性磚工業生產技術的重要產物之一。在硅鋁類耐火材料中，為確保其具有較強的抗堿侵蝕性能，通常會嚴格控制氧化鋁在耐堿轉中的質量分數。在保證耐堿磚中氧化鋁的質量分數為30%，且荷重軟化溫度為1300℃左右時，將其在耐火設備侵蝕問題相對嚴重的部位。通過對抗剝落耐鋁磚、磷酸鹽結合高鋁質耐磨磚、磷酸鹽結合高鋁磚等系列特種高鋁磚的開發，以及新型滲透碳化硅高鋁質磚的出現，滿足生產系統中不同工況和部位對耐火、耐堿、耐磨等需求。

2.2 腐蝕元素侵蝕機理

耐火材料和設備的腐蝕大致可以分為化學侵蝕、機械應力和熱應力三種類型，原燃料對其造成的腐蝕影響通常以化學侵蝕為主。受生產過程高溫環境的影響，活性金屬元素和原燃料中的各種雜質等化學成分會與耐火材料和設備發生化學反應進而造成腐蝕問題，且這種化學侵蝕的發生伴隨著生產活動開展和耐火材料和設備完整的使用壽命。以鋼鐵冶煉過程為例，鐵作為該工業活動開展中的主要成分，也是當前冶煉過程中應用最廣泛的原料之一，這種材料在鋼水中的溶解度不高，但在空氣中具有較高的溶解度。基于其在不同環境下的溶解度差異，當爐渣中有鋼水進入時會產生流動，爐渣中的鐵元素會被帶入鋼水中，產生一部分鐵水。由于鐵水表面具有較強的氧化性，當耐火材料和設備與鐵水相互接觸時會迅速發生化學反應，生成氧化鐵。基于耐火材料和設備耐腐蝕性強的特征，雖然氧化鐵不會對其直接造成腐蝕，但當其表面存在氧化物時，使其耐腐蝕性受到影響，極易在后續生產過程中出現腐蝕問題，使其強度和使用壽命大大降低。

在常溫環境下，鎂通常作為一種惰性元素存在，不會在化學反應中直接參與。在煉鋼過程中，為提升生產效率，部分生產廠家會將鎂作為助熔劑和脫氧劑使其參與生產過程。當其溫度條件發生變化時。鎂在高溫環境下會與水蒸氣、氧氣發生化學反應產生氧化鎂，在鋼中以結合氧化鎂和游離氧化鎂的形式存在，在高溫條件下繼續與水蒸氣、氧氣發生化學反應，對耐火材料和設備造成腐蝕影響。與此同時，氧化鎂的存在還會使鋼表面形成一層致密的氧化膜，使其表面溫度降低，導致鋼坯在加熱過程中極易出現裂紋。釩、鈦、鉻等元素本身具有相對較強的腐蝕性，在冶煉過程中極易與耐火材料和設備發生化學反應，加快腐蝕問題發生速率。在全面掌握原燃料對耐火材料和設備出現腐蝕問題作用機理和過程的基礎上，可以通過嚴格控制原燃料中腐蝕元素含量的方式，降低其中各種腐蝕元素對耐火材料和設備造成的腐蝕影響，保證其低于工業生產規范標準，使其被控制在規定范圍內，從根本上杜絕各種雜質進入耐火設備和材料，使該腐蝕問題從源頭上得到有效控制。在冶煉過程和生產過程中，科學處理含鐵雜質較高的原燃料，并加強對耐火材料和設備的管理，提升其質量，延長其使用壽命。

3 耐火材料和設備在特殊原、燃料下的腐蝕問題

3.1 二氧化硫的產生與處理

在現代化工業生產活動中，在耐火材料與設備的生產過程中，受其所處環境條件的影響，通常會產生大量的二氧化硫氣體，當生產系統內部溫度較高時，二氧化硫在高溫環境的作用下會與耐火材料和設備發生反應，產生三氧化二硫等酸性物質，從而在維持生產系統溫度不變的情況下，促使這些酸性物質對耐火材料和設備產生腐蝕效果，出現較嚴重的腐蝕問題。以冶煉生產環節為例，將高硫煤矸石作為生產原燃料，由于其硫酸鹽含量相對較高，在生產過程中會與焦炭發揮化學反應，產 ※※生大量二氧化硫氣體，導致含硫較高的煤矸石在生產過程中使耐火材料和設備發生嚴重的腐蝕問題。

3.2 煉鋁時二氧化硫的影響

由于煉鋁過程中通常會選用煤矸石作為主要的原燃料，這些煤矸石中本身含有大量的二氧化硫，受生產過程高溫條件的影響，促使鋁與煤矸石中的二氧化硫發生化學反應，產生氫氣與三氧化硫。在同樣的高溫環境下，化學反應并未就此停止，鋁與二氧化硫產生的氫氣還會在高溫環境下與氧化硫發生化學反應，生成硫酸鋁，繼而與爐渣中的氫氧化鈉等堿性物質發生酸堿中和反應，使濾渣中氧化鈉的含量不斷增加。受氧化鈉的影響，導致熔煉爐的使用期限進一步縮短。針對二氧化硫在煉鋁過程中對熔煉爐這種耐火設備間接造成的腐蝕影響，在煉鋁過程中，技術人員要結合生產實際，對生產過程中二氧化硫的含量進行科學控制，使其中硫氧化物的含量盡可能降低，減少原燃料對耐火材料和設備造成的腐蝕性影響。

3.3 高硫煤矸石的腐蝕問題

在工業生產中原燃料的選擇與使用中，將高硫煤矸石作為主要材料，受其含硫量較高的影響，在冶煉過程中會有大量二氧化硫氣體產生，在其排出生產系統前，在高溫環境的作用下與煤矸石中的氧化鈣發生化學反應生成硫酸鈣，這種化學產物繼而與耐火材料和設備中的氧化鋁與氧化硅等成分發生化學反應，產生硫酸鋁氫氧化物，受該堿性物質強腐蝕性的影響，嚴重侵蝕耐火材料和設備。在某鋼廠高爐煉鐵過程中，在其原燃料中選用高硫煤矸石，對其含硫量與耐火材料和設備腐蝕問題嚴重程度的關系進行探究可以發現，隨著煤矸石含硫量的升高，生產過程對耐火材料和設備產生的腐蝕問題越嚴重。當煤矸石含硫量控制在0.8%以下時，不會對耐火材料和設備產生腐蝕影響；當煤矸石含硫量不超過1.5%時，會對耐火材料和設備造成一定程度的腐蝕，但相對不會特別嚴重；當煤矸石含硫量超過1.5%時，就會嚴重腐蝕耐火材料和設備。

4 結語

綜上所述，在社會高速發展的過程中，用于生產活動的原、燃料種類不斷增多，為減少部分特殊原、燃料對耐火材料和設備造成的腐蝕問題，要綜合生產理論和技術實踐，正確認識壓力、溫度、濕度等因素的影響，探究不同原、燃料對耐火材料和設備的腐蝕規律，對原、燃料類型進行科學選擇，解決腐蝕問題。